專利名稱：制造硅外延晶片的方法和硅外延晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造硅外延晶片的方法，和該方法制造的外延晶片。
背景技術(shù)：
具有公知的技術(shù)用于在具有在硅單晶襯底上外延生長的硅單晶膜的硅外延晶片(在下文中也簡稱外延晶片)中通過離子注入其硅單晶膜的工藝形成包含雜質(zhì)的離子注入層(在下文中也稱作硅外延層或簡稱作外延層)，以及進(jìn)一步形成另一外延層以由此保留離子注入層作為掩埋層。在一些情況下，在制造元件例如功率MOSFET和垂直雙極晶體管的工藝中，必須在外延晶片中形成深度方向較長的雜質(zhì)添加區(qū)(在本說明的下文中也稱作垂直添加區(qū))。平面MOSFET產(chǎn)的電流通路主要在雜質(zhì)添加區(qū)的平面內(nèi)方向，而垂直添加區(qū)的制造產(chǎn)生了允許電流在該區(qū)的厚度方向上傳導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，和減小元件導(dǎo)通電阻的優(yōu)點(diǎn)。
可以通過如特開2001-139399號公報(bào)中所述的方法形成深垂直添加區(qū)，所述方法重復(fù)生長外延層的步驟和離子注入的步驟，但是這會帶來容易增加工藝步驟的數(shù)量和成本的缺點(diǎn)。特開2002-196573號公報(bào)和特開2002-141407號公報(bào)因此公開了這樣的技術(shù)，用于通過在硅單晶襯底的主表面上蝕刻形成溝槽(凹槽)，以及通過生長填充外延層以填充溝槽。
為了滿足近來對于更高集成度的硅器件的需求，需要形成具有更小面積和更大深度的垂直添加區(qū)，而這需要相應(yīng)的溝槽具有相當(dāng)大的開口的深度與寬度的縱橫比。特開2001-196573號公報(bào)指出一個問題，其中填充外延層當(dāng)它在溝槽的內(nèi)壁平面上生長時(shí)將關(guān)閉溝槽的開口部分，而且更可能在溝槽內(nèi)留下空隙。作為解決該問題的一種具體方法，公開了這樣的方法，一次中斷填充外延層的生長、引入新的HCl氣體以通過蝕刻除去在開口處阻塞的外延層的不需要部分，并重新開始生長填充外延層。
然而，特開2001-196573號公報(bào)沒有詳述在溝槽的開口處過剩生長填充外延層的根本原因?！叭绻_口即將被阻塞，就足以停止生長和蝕刻層”的觀點(diǎn)只是癥狀處理，并未給出關(guān)鍵的解決方案。當(dāng)然，重復(fù)外延生長和蝕刻的工藝是復(fù)雜和費(fèi)力的，而且導(dǎo)致了增加的成本。
因此，本發(fā)明的主旨是提供制造硅外延晶片的方法，其不太可能因?yàn)樘畛渫庋訉拥倪^剩生長而在溝槽的開口部分處引起阻塞，并能有效抑制溝槽內(nèi)的填充外延層中的空隙等的存在；同時(shí)提供能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的硅外延晶片，以及甚至在大的溝槽的縱橫比下只具有少量殘余空隙等的填充外延層。
專利文獻(xiàn)1特開2001-139399號公報(bào)；專利文獻(xiàn)2特開2001-196573號公報(bào)；專利文獻(xiàn)3特開2002-141407號公報(bào)；非專利文獻(xiàn)1D.Kishimoto等人，the Journal of Crystal Growth，240(2002)，52；非專利文獻(xiàn)2Ichiro Mizushima等人，Oyo Butsuri(The Japan Societyof Applied Physics)，69(2002)，1187；以及非專利文獻(xiàn)3H.Kuribayashi等人，AVS 49thInternational Symposium，SS-TuP12，Nov.3-8(2002).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種制造硅外延晶片的方法，所述硅外延晶片具有在硅單晶襯底的主平面上形成的溝槽，所述溝槽的內(nèi)部空間填充有由硅單晶構(gòu)成的填充外延層，其中第一方面的特征在于在定義一角度范圍作為過渡平面法線角度范圍，并假設(shè)一區(qū)域作為過渡平面區(qū)域的情況下，所述角度范圍允許所述襯底的所述主平面的法線矢量α和在所述溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面的法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭，所述區(qū)域包括在所述溝槽的所述縱向上的開口邊緣，在所述過渡平面區(qū)域上法線矢量在所述過渡平面法線角度范圍內(nèi)連續(xù)改變，確定所述襯底的所述主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)，以使平面{111}的法線矢量落在所述過渡平面法線角度范圍之外；以及獲得具有用所述密勒指數(shù)(h1k1l1)表示的所述主平面的硅單晶襯底，在所述襯底的所述主平面上形成具有用所述密勒指數(shù)(h2k2l2)表示的在所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的溝槽，并允許所述填充外延層在所述溝槽內(nèi)生長。
本發(fā)明的硅外延晶片具有在硅單晶襯底的主平面上形成的溝槽，所述溝槽的內(nèi)部空間填充有由硅單晶構(gòu)成的填充外延層；以及在定義一角度范圍作為過渡平面法線角度范圍，并假設(shè)一區(qū)域作為過渡平面區(qū)域的情況下，所述角度范圍允許所述襯底的所述主平面的法線矢量α和在所述溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面的法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭，所述區(qū)域包括在所述溝槽的所述縱向上的開口邊緣，在所述過渡平面區(qū)域上法線矢量在所述過渡平面法線角度范圍內(nèi)連續(xù)改變，具有確定以使平面{111}的法線矢量落在所述過渡平面法線角度范圍之外的所述襯底的所述主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)。
可以理解，在下面的描述中，使用密勒指數(shù)將晶面指數(shù)表示為(hkl)(符號{hkl}用于代表性地表示多個結(jié)晶對稱平面)，而將晶軸方向表示為[hkl](符號<hkl>用于代表性地表示多個結(jié)晶對稱軸方向)。在密勒指數(shù)符號中，通常在指數(shù)上方給表示負(fù)指數(shù)的減號，而本專利說明書出于方便的原因采用將減號置于指數(shù)前的符號。
將在硅單晶襯底的表面上出現(xiàn)的晶面的法線矢量定義為具有從在其上具有整個晶體包括襯底的主平面MP和溝槽的內(nèi)壁平面WP的側(cè)面向在其上沒有晶體的側(cè)面的方向性。因此，如圖20所示，可以理想化為包括在縱向上的溝槽的開口邊緣的區(qū)域作為曲面GA，所述曲面在允許襯底的主平面的法線矢量α和內(nèi)壁平面的法線矢量β交迭的過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)，在其上法線γ矢量從法線矢量α側(cè)到法線矢量β側(cè)連續(xù)(且單調(diào))變化(所述曲面可以近似為一組具有不同方向的法線矢量γ的微平面)。如果要精確表述，溝槽的開口邊緣部分的表面幾何學(xué)不可以稱為具有以結(jié)晶連續(xù)方式變化的平面指數(shù)，但在技術(shù)認(rèn)識中，鑒于理解開口邊緣部分處的外延層的生長行為，幾何理想化為如圖20中所示的允許指數(shù)連續(xù)變化的曲面(例如，圓形平面)將不會帶來問題。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使溝槽的開口更可能被過剩生長的填充外延層阻塞的關(guān)鍵因素在于，其中填充外延層的生長速率很大程度上取決于硅單晶的生長平面的方向，并且也容易受溝槽內(nèi)壁平面和硅單晶襯底的主平面之間的平面方向的相互關(guān)系影響。更具體地說，在溝槽的開口邊緣部分作為允許從襯底的主平面的平面方向向溝槽內(nèi)壁平面的平面方向過渡的過渡平面區(qū)域的假設(shè)下，并在過渡平面區(qū)域包含用具體指數(shù)更具體地為平面{111}表示的平面的條件下，發(fā)現(xiàn)潛在地使溝槽的開口邊緣部分阻塞的填充外延層的過剩生長部分變得更可能形成。
如圖9中所示，在硅的外延生長中，平面{111}上的生長速率最小，并且生長速率從最小值根據(jù)與平面{111}的角度差異而大大的改變。生長速率在平面{110}上變得最大?，F(xiàn)在討論一些主平面指數(shù)，平面{100}上的生長速率比平面{110}上的小30％，平面{111}上的值最小，比平面{110}上的生長速率小50％或更多。對于如圖10中所示的示例性情況，其中平面(111)(用[111]表示其法線)包括在包括溝槽開口邊緣的過渡平面區(qū)域15中，外延層14的生長速率在給出法線[111]的邊緣位置處最小，但是，由于生長速率的急劇增加，過剩生長部分3f的形成在從邊緣到襯底2的主平面MP側(cè)和到溝槽內(nèi)壁平面WP側(cè)的越遠(yuǎn)的位置處變得越不同?，F(xiàn)在假設(shè)襯底主平面MP的法線矢量為α，而溝槽內(nèi)壁平面WP的法線矢量為β，可以理解，允許法線矢量α與法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭的角度范圍(過渡平面法線區(qū)域)將包括給出局部最小(并絕對值最小)生長速率的平面(111)的法線[111]。
因此在本發(fā)明中，假設(shè)包括在溝槽的縱向上的開口邊緣的區(qū)域作為在其上法線矢量在過渡平面法線角度范圍內(nèi)連續(xù)變化的過渡平面區(qū)域，確定襯底主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和溝槽內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)，以使平面{111}的法線矢量落在過渡平面法線角度范圍之外。換言之，在其上給出最小生長速率的{111}平面被排除在過渡平面區(qū)域之外。這使得可以在由溝槽的開口邊緣限制的襯底主平面MP側(cè)上和在溝槽內(nèi)壁平面WP側(cè)上非常有效地抑制填充外延層的過剩生長，以及隨后溝槽開口的窄化。結(jié)果，甚至在大的溝槽的縱橫比下，在溝槽中的填充外延層內(nèi)幾乎不可能出現(xiàn)材料空隙等，這使得可以提高產(chǎn)量。如此獲得的硅外延晶片質(zhì)量極佳，在填充外延層(對應(yīng)于附加垂直區(qū)域)中只有少量的殘留空隙等。
下面是另一個可能的因素。也就是說，當(dāng)在溝槽的開口邊緣中包括平面{111}時(shí)，試圖吸附在開口上的含Si吸附核素(通常為源自源氣體分子的含Si原子團(tuán))對硅淀積不起作用，這是因?yàn)槠矫鎨111}在其上只允許比包括例如平面{100}和平面{110}的襯底主平面和溝槽內(nèi)壁平面的其它平面允許的生長速率慢的多生長速率，而且變得更可能如圖10中的箭頭M所指進(jìn)行遷移，從而流向襯底主平面?zhèn)群蜏喜蹆?nèi)壁平面?zhèn)?。結(jié)果，在邊緣{111}的兩側(cè)，含Si吸附核素變得更可能進(jìn)行吸附并從而進(jìn)行Si淀積和生長，以使得過剩生長更加不同，這是因?yàn)楫?dāng)受到遷移影響時(shí)含Si吸附核素的濃度向襯底主平面?zhèn)然蛳驕喜蹆?nèi)壁平面?zhèn)染植孔兏?，這也是因?yàn)楫?dāng)平面方向變得遠(yuǎn)離平面{111}時(shí)生長速率增加。換言之，因?yàn)樵谄渖现辉试S小的生長速率的邊緣{111}包括在開口邊緣區(qū)域中，所以邊緣{111}和其兩側(cè)上的區(qū)域之間的生長速率的差別產(chǎn)生所述遷移，以使源材料優(yōu)先供給到邊緣{111}的兩側(cè)，由此擴(kuò)大邊緣{111}和其兩側(cè)上的區(qū)域之間的生長量的差別，超出基于對相應(yīng)于平面方向的靜態(tài)生長速率的差別的估計(jì)，從而可以使得引起溝槽開口阻塞的過剩生長部分的形成更加不同。上述遷移已經(jīng)在GaAs單晶上得到了證實(shí)，類似于在平面{111}和平面{100}上的面形成行為，典型地如D.Kisimoto等人，The Journal of Crystal Growth，240(2002)52中所述，根據(jù)Ichiro Mizushima等人，Oyo Butsuri(The Japansociety of Applied Physics)，69(2000)，1187和H.Kuribayashi等人，AVS 49thInternational Symposium，SS-TuP12，Nov.3-8(2002)，類似的遷移也很可能出現(xiàn)在硅單晶上。相反，本發(fā)明可以通過從開口邊緣區(qū)域排除平面{111}來抑制遷移，同時(shí)可以有效抑制溝槽開口的窄化。
總結(jié)上述討論，當(dāng)在過渡平面法線角度范圍內(nèi)的中間角度位置處包括在其上允許最小生長速率的平面{111}時(shí)，當(dāng)觀察點(diǎn)從過渡平面區(qū)域上的由平面{111}構(gòu)成的邊緣位置移向任何一個溝槽內(nèi)壁平面?zhèn)然蛞葡蛞r底主平面?zhèn)葧r(shí)，Si的生長速率因此沿增加的方向改變，這使得由于過剩生長部分更可能出現(xiàn)溝槽開口的窄化。因此，通過從過渡平面區(qū)域排除平面{111}抑制了不一致。在此情況下，實(shí)施例的更加優(yōu)選模式是，例如，確定襯底主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和在溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)，以在過渡平面區(qū)域中，在襯底主平面和在溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面之間的中間角度位置處最大化硅的生長速率分布。換言之，如果生長速率的最大值位于過渡平面區(qū)域中的邊緣位置處，那么當(dāng)觀察點(diǎn)從過渡平面區(qū)域上的由平面{111}構(gòu)成的邊緣位置移向任何一個溝槽內(nèi)壁平面?zhèn)然蛞葡蛞r底主平面?zhèn)葧r(shí)，硅的生長速率沿減小的方向改變。另外，從開口邊緣排除在其上只允許小的生長速率的平面使得硅源材料向溝槽內(nèi)壁平面?zhèn)群拖蛞r底主平面?zhèn)鹊倪w移幾乎不可能出現(xiàn)。這使得可以大大抑制過剩生長部分的形成，并有效防止溝槽開口的窄化。
在有些情況下，隨著填充外延層的生長工藝，外延層也在溝槽外的襯底主平面的區(qū)域上生長，其中如果不需要可以通過拋光除去外延層。拋光可以除去通過外延層生長工藝中在溝槽的開口邊緣形成的部分。
考慮到單晶提拉的容易程度和價(jià)格優(yōu)勢，襯底(100)被廣泛用于制造硅外延晶片的硅單晶襯底。上述特開2001-196573號公報(bào)敢于采用襯底(110)，目的在于通過各向異性濕蝕刻形成溝槽，其中為了獲得襯底(110)，需要通過Czochralski法、浮區(qū)法等在主軸[110]周圍生長硅單晶。然而，由于斷層的出現(xiàn)，單晶[110]很可能異常地轉(zhuǎn)變成多晶，而且問題在于幾乎不可能制備具有大產(chǎn)量的異常重?fù)诫s的單晶。
對于上述其中襯底主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)被定義為(100)的情況，優(yōu)選將溝槽設(shè)置為使其深度方向與襯底的厚度方向一致，并設(shè)置為定義在縱向上的壁平面(溝槽內(nèi)壁平面)的密勒指數(shù)(h2k2l2)以使在縱向上的壁平面以從5°到45°并包括兩端的角度與四個{110}平面中的任何一個相交，所述{110}平面包括軸[100]附近的晶體區(qū)域。可以理解，多個具有不同平面指數(shù)但與單個共同晶軸平行對準(zhǔn)的晶面被定義為關(guān)于所述晶軸的“所述包括的晶體區(qū)域”，其中所述晶軸被稱為“晶體區(qū)域軸”。包括關(guān)于軸[100]的晶體區(qū)域的四個{110}平面是四個(011)、(0-11)、(0-1-1)和(01-1)平面(參照圖11)。
對于如圖13左面所示的其中襯底主平面為(100)(其中允許約4°的角度偏離幅度，廣義上，其中襯底主平面在此情況下也可以被認(rèn)為是(100)平面)，而溝槽內(nèi)壁平面為(011)的情況，通過圖13右面所示的兩個表面上的法線矢量(晶軸方向指數(shù))[100]和
指定的過渡平面法線角度范圍θ包括平面(111)上的法線矢量[111]。其中平面(100)和平面(011)相互相交的開口邊緣部分將使平面(111)出現(xiàn)在其中，如圖13左面所示。也就是說，開口邊緣部分可以理解為允許在過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)連續(xù)變化的過渡平面區(qū)域。
圖15示出了外延層的生長速率如何在過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)變化，在范圍θ上，平面方向從(100)通過(111)過渡到(011)。在這里，通過假設(shè)平面(111)上的速率為6的相對值表示生長速率。從圖中發(fā)現(xiàn)，落在角度范圍θ的原點(diǎn)上的溝槽內(nèi)壁平面(011)在所有平面中顯示出最大的生長速率(相對基礎(chǔ)之上的13)，相反，出現(xiàn)在角度范圍θ中間的平面(111)在所有平面中顯示出最小的生長速率(相對基礎(chǔ)上的6)。包括開口邊緣的平面(111)和襯底主平面(100)之間的生長速率的差別ΔE1出現(xiàn)為相對基礎(chǔ)上的4，而相對于溝槽內(nèi)壁平面的生長速率的差別ΔE2出現(xiàn)為7。生長速率的差別的和ΔE1+ΔE2的較大值趨于在開口邊緣部分的周圍給出較大的生長速率，而上述情況中的ΔE1+ΔE2出現(xiàn)為相對基礎(chǔ)上的11。顯著影響開口窄化的溝槽內(nèi)壁平面(011)側(cè)上的生長速率的差別ΔE2尤其出現(xiàn)為7。也就是說，如圖10中所示，這構(gòu)成了促進(jìn)在溝槽開口處形成過剩生長部分的主要因素。
然而，如果溝槽內(nèi)壁平面以預(yù)定角度與平面{110}相交就可以抑制過剩生長部分的形成，這是因?yàn)檫^渡平面法線角度范圍θ以如圖13右面的坐標(biāo)中表示的遠(yuǎn)離<111>方向旋轉(zhuǎn)，以使在其上允許最小生長速率的平面{111}從溝槽開口處的過渡平面區(qū)域中消失?？紤]到如圖11中所示包括關(guān)于軸[100]的晶體區(qū)域的四個{110}平面的對稱性，溝槽內(nèi)壁平面和平面{110}之間的相交角度可以為45°或更小。在此情況下，優(yōu)選將溝槽內(nèi)壁平面和平面{110}之間的相交角度設(shè)定為5°或更大，因?yàn)闃O其小的角度會導(dǎo)致在過渡平面中包括具有接近{111}的平面指數(shù)的更高指數(shù)的平面，而使得效果不明顯。從圖9中所示的生長速率的相對值的角度講，優(yōu)選基于生長速率的最小值，在過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)將生長速率的差別的和ΔE1+ΔE2調(diào)節(jié)到相對值基礎(chǔ)上的8或更小，尤其將關(guān)于溝槽內(nèi)壁平面的生長速率的差別ΔE2調(diào)節(jié)到5或更小。
如上所述，仍然更加優(yōu)選確定上述相交角度，并接著確定在縱向上的溝槽內(nèi)壁平面的平面指數(shù)，以在襯底主平面?zhèn)群驮诳v向上的溝槽內(nèi)壁平面?zhèn)戎g的中間角度位置處最大化生長速率分布。例如，優(yōu)選相交角度與包括關(guān)于軸[100]的晶體區(qū)域的四個{100}平面的任何一個相一致。如圖12中所示，當(dāng)襯底主平面為(100)而溝槽內(nèi)壁平面為(010)時(shí)，平面{111}將不會出現(xiàn)在兩個平面之間的過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)。在此情況下，過渡平面法線角度范圍θ包括平面(110)的法線。圖14示出了外延層的生長速率如何在過渡平面法線角度范圍θ上變化，在范圍θ上，平面方向從(100)通過(111)過渡到(011)?？梢钥闯?，生長速率在平面(110)的位置處最大。溝槽內(nèi)壁平面(010)側(cè)上的生長速率的差別ΔE2出現(xiàn)為約3，而生長速率的差別的和ΔE1+ΔE2出現(xiàn)為約6。發(fā)現(xiàn)兩個差別從圖15中所示的ΔE2＝7和ΔE1+ΔE2＝11顯著減小了。如圖11中所示，包括溝槽內(nèi)壁平面的(010)和相應(yīng)的{110}平面的相交角度為45°。
從圖14和圖15之間的對比認(rèn)識到，在將溝槽內(nèi)壁平面從(011)變到(010)的過程中，過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)的生長速率從增長趨勢變?yōu)橄陆第厔?。因此，與溝槽內(nèi)壁平面為(010)的情況相比，其中間截面可以包括能夠進(jìn)一步減小生長速率的最大值并進(jìn)一步減小生長速率的差別ΔE2(或和ΔE1+ΔE2)的相交角度，在此角度處，可以更好地抑制過剩生長部分的形成。然而，可以預(yù)期，在更高平面指數(shù)的溝槽內(nèi)壁平面上生長的填充外延層在生長過程中可能在其生長平面上變粗糙，而且生長可能變得與預(yù)期的不一致。與此相反，具有方向{100}的溝槽內(nèi)壁平面在此預(yù)期之外，并對過剩生長部分的形成有足夠好的抑制效果，以至于除了特別優(yōu)選用于本發(fā)明的實(shí)施例，別無他法。
接下來，本發(fā)明的制造硅外延晶片的方法的第二方面描述為包括通過以下步驟形成填充外延層將其中形成有溝槽的硅單晶襯底置于反應(yīng)容器中并加熱到預(yù)定生長溫度，并將源氣體供給到所述反應(yīng)容器同時(shí)保持所述狀態(tài)不變；以及在定義進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述源氣體的流速作為所述源氣體的臨界流速的情況下，所述流速用于使關(guān)于用所述源氣體淀積硅的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與所述生長溫度一致，在所述生長溫度下生長所述填充外延層同時(shí)以比所述源氣體的所述臨界流速大的流速將所述源氣體供給到所述反應(yīng)容器。
通過進(jìn)一步的研究，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，考慮到使硅均勻生長在溝槽內(nèi)壁平面上，并考慮到使空隙幾乎不可能在填充外延層中產(chǎn)生，有效的是將生長溫度設(shè)定在不引起與源氣體濃度相關(guān)的生長速率急劇變化的較低溫度區(qū)域內(nèi)，更具體地在允許硅淀積反應(yīng)以反應(yīng)速率決定的方式進(jìn)行的溫度范圍內(nèi)。另一方面，溝槽由底部閉合的空間組成，而在特別好的溝槽(具有1μm到3μm的開口寬度，以及20μm到50μm的深度，并都包括兩端)中，所述空間基本上被通過與內(nèi)壁平面的摩擦產(chǎn)生的擴(kuò)散區(qū)占據(jù)，以至于源氣體只能通過擴(kuò)散供給到溝槽。當(dāng)供給的源氣體的流速如圖16左邊所示的那么小時(shí)，因?yàn)闇喜坶_口附近的硅淀積，通過擴(kuò)散進(jìn)來的源氣體的消耗變得相對不同，而且溝槽底部周圍源氣體濃度變得短缺。生長速率(G.R.)因此甚至在反應(yīng)速率決定區(qū)域中減小，而溝槽開口處硅的生長變得相對更可能進(jìn)行，于是產(chǎn)生開口窄化的一個原因。
常規(guī)的硅外延生長采用超過源氣體的過剩流速的載氣體(例如H2氣)，以使源氣體的供給速率的調(diào)節(jié)對應(yīng)于供給到反應(yīng)容器，更具體是供給到溝槽開口的源氣體的濃度的調(diào)節(jié)。圖17示出了在不同的生長溫度下在單獨(dú)的供給速率下，同時(shí)將作為載氣體的H2氣的供給速率固定為50/min并改變源氣體的供給速率，使用三氯硅烷(TCS:SiHCl3)作為源氣體，硅的生長速率的測量結(jié)果的Arrhenius圖。發(fā)現(xiàn)，在任何源氣體的供給速率下，該圖在較低溫度側(cè)的反應(yīng)速率決定區(qū)域中和在較高溫度側(cè)的供給速率決定區(qū)域中顯示出不同的斜率(即，硅生長反應(yīng)的明顯的激活能)。過渡溫度被定義為落在通過分別將Arrhenius平面上的較低溫度側(cè)和較高溫度側(cè)的圖進(jìn)行線性回歸獲得的回歸線的相交點(diǎn)上的溫度。當(dāng)源氣體的供給速率增加時(shí)，過渡點(diǎn)移向較高溫度側(cè)。通過該結(jié)果，可以找出源氣體的臨界流速作為在其下預(yù)定生長溫度與過渡溫度一致的源氣體的供給速率。例如，約1,000℃的生長溫度給出了約11.5L/min的源氣體的臨界流速(該值特別針對單獨(dú)的反應(yīng)容器，并可根據(jù)具體的容器改變)。
在本發(fā)明的第二方面中，在定義進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述源氣體的流速(供給速率)作為所述源氣體的臨界流速的情況下，所述流速用于使關(guān)于用所述源氣體淀積硅的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與預(yù)定生長溫度一致，以比所述源氣體的所述臨界流速大的流速將所述源氣體供給到所述反應(yīng)容器。如圖17中所示，隨著源氣體的供給速率的增加，過渡溫度移向較高溫度側(cè)，以使源氣體的供給速率在源氣體的臨界流速上的增加意味著生長溫度被無條件地設(shè)定在反應(yīng)速率決定區(qū)域內(nèi)。這因此使得可以增加在溝槽開口周圍的源氣體的濃度而保持反應(yīng)速率決定區(qū)域，以供給足量的源氣體深入到溝槽底部，如圖16右面所示，即使源氣體在溝槽開口的上部被消耗的更多或更少，并由此使得溝槽內(nèi)壁平面上的生長速率的深度方向分布更加均勻。因此使得可以抑制在溝槽開口處的硅的過剩生長，于是有效防止開口的阻塞。當(dāng)結(jié)合本發(fā)明的制造方法的第一方面時(shí)，本發(fā)明的制造方法的第二方面更加有效，而且可以進(jìn)一步加強(qiáng)上述效果。
當(dāng)確定進(jìn)入反應(yīng)容器的源氣體的供給速度以獲得在溝槽底部的源氣體濃度等于或高于反應(yīng)容器中的源氣體濃度時(shí)，當(dāng)以源氣體的臨界流速將源氣體供給到反應(yīng)容器時(shí)，上述效果變得更加明顯。這成功地在從開口到底部變化的溝槽內(nèi)壁平面的深度方向上的整個區(qū)域上確保了需要用于維持基于反應(yīng)速率決定工藝的硅淀積反應(yīng)的充足的源氣體濃度，并使得生長速率的深度方向分布的均勻度達(dá)到很高程度。
在此情況下，可以供給源氣體同時(shí)將反應(yīng)容器內(nèi)的壓力保持為常壓?！俺骸痹谶@里指落入1×105Pa的+/-10％的范圍內(nèi)的壓力。當(dāng)在常壓的大氣下將源氣體供給到反應(yīng)容器時(shí)，填充外延層的生長使得可以提升生長速率超過在減小壓力的大氣下的生長，并可以提高生產(chǎn)效率。較大的生長速率趨于對良好溝槽內(nèi)的壁平面上的生長速率分布產(chǎn)生較大的影響，并趨于產(chǎn)生殘留空隙等的問題，然而采用本發(fā)明的制造方法的第二方面(也作為第一方面的結(jié)果)可以有效抑制這樣的不一致，并可以協(xié)調(diào)生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)率的提高。當(dāng)使用具有大的用于硅淀積的反應(yīng)效率的三氯硅烷時(shí)，該效果變得尤其明顯。
接著，為了抑制在溝槽開口處的硅的過剩生長，將抑制填充外延層生長的生長抑制氣體與源氣體一起供給到反應(yīng)容器也很有效。生長抑制氣體可以是抑制源氣體的分解反應(yīng)的氣體種類，但是采用用于(淀積)硅的蝕刻氣體更有效。更具體地說，如圖18中所示，現(xiàn)在假設(shè)將作為包括溝槽內(nèi)壁平面的硅上的蝕刻劑的氣體單獨(dú)供給到溝槽，蝕刻的深度在溝槽開口周圍較大，但會因?yàn)闅怏w的消耗而逐漸向溝槽底部減小，如曲線(A)所示。另一方面，如在上面重復(fù)說明，當(dāng)供給源氣體以用硅填充溝槽(填充外延層)時(shí)，生長厚度在溝槽開口周圍較大，但會因?yàn)闅怏w的消耗而逐漸向溝槽底部減小，如曲線(B)所示。因此，進(jìn)入反應(yīng)容器的源氣體和蝕刻氣體的結(jié)合供給使得可以取消曲線(A)所示的蝕刻深度的深度方向分布和曲線(B)所示的生長厚度的深度方向分布，以有效抑制曲線(C)所示的溝槽開口周圍的硅的過剩生長，以由此允許填充外延層在溝槽內(nèi)壁平面上均勻生長?？紤]到要加強(qiáng)上述效果，優(yōu)選使用氯化氫作為蝕刻氣體。
特開2001-196573號公報(bào)公開了一種交替重復(fù)供給源氣體和供給蝕刻氣體的方法，但是該方法，作為癥狀處理，基于通過中斷供給源氣體而代以供給蝕刻氣體來除去過剩生長的部分的概念，不僅低效，而且無論如何也不能成功地允許填充外延層在溝槽內(nèi)壁平面上均勻生長，這是因?yàn)樵摲椒ㄊ窃谶^剩生長部分在溝槽內(nèi)壁平面上一次形成的假定之上，這也因?yàn)楹茈y選擇性地只除去過剩生長部分。
為了在溝槽內(nèi)壁平面上獲得均勻生長的填充外延層，關(guān)鍵是盡可能抑制溝槽開口周圍過剩生長部分的產(chǎn)生，以盡可能防止溝槽底部周圍的硅生長的抑制被置于不利于硅生長的條件之下。更具體地說，有效的是允許在確保蝕刻氣體的供給速率決定模式的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行蝕刻反應(yīng)。因?yàn)槲g刻氣體的高濃度，確保蝕刻氣體的供給速率決定模式的溫度范圍的采用使得蝕刻效果迅速出現(xiàn)在開口周圍，以抑制過剩的硅淀積，而蝕刻效果反而在蝕刻氣體到達(dá)溝槽底部側(cè)時(shí)迅速下降，并沒有妨礙層的生長，這是因?yàn)槲g刻氣體的濃度由于在開口周圍的消耗而減小的緣故。
圖19示出了在不同的蝕刻溫度下同時(shí)將作為載氣體的H2氣的供給速率固定為50L/min并改變源氣體的供給速率，使用氯化氫作為蝕刻氣體的(100)硅單晶襯底的主平面的蝕刻速率的測量結(jié)果的Arrhenius圖。類似于硅外延生長的情況(參照圖17)，公知，在任何蝕刻氣體的供給速率下，該圖清楚地示出了較低溫度側(cè)的反應(yīng)速率決定區(qū)域和較高溫度側(cè)的供給速率決定區(qū)域。過渡溫度再次被定義為落在通過分別對Arrhenius平面上的較低溫度側(cè)和較高溫度側(cè)的圖進(jìn)行線性回歸獲得的回歸線的相交點(diǎn)上的溫度。當(dāng)蝕刻氣體的供給速率增加時(shí)，過渡點(diǎn)移向較高溫度側(cè)，以使可以找出蝕刻氣體的臨界流速作為在其下預(yù)定生長溫度與過渡溫度一致的蝕刻氣體的供給速率。例如，約1,000℃的生長溫度給出了約1.0L/min的蝕刻氣體的臨界流速(該值特別針對單獨(dú)的反應(yīng)容器，并可根據(jù)具體的容器改變)。
在此情況下，在定義需要用于使關(guān)于硅蝕刻的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與生長溫度一致的進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述蝕刻氣體的流速作為所述蝕刻氣體的臨界流速的情況下，可以說優(yōu)選以比所述蝕刻氣體的所述臨界流速小的流速將所述蝕刻氣體供給到所述反應(yīng)容器。更具體地說，如從圖19中所知，小于蝕刻氣體的臨界流速的蝕刻氣體的流速的減小意味著生長溫度將無條件地設(shè)定在供給速率決定區(qū)域中。這因此使得可以在溝槽開口處實(shí)施選擇性蝕刻，并可以使溝槽內(nèi)壁平面上的硅的生長速率的深度方向分布更均勻，而保持在供給速率決定區(qū)域。要注意，過小的蝕刻氣體流速只會導(dǎo)致不充分的蝕刻效果，因此只要不在溝槽開口處留下過剩生長部分，優(yōu)選確定蝕刻氣體流速的下限。


圖1為截面圖，示意性地示出了本發(fā)明的示例性硅外延晶片；圖2為截面圖，示意性地示出了本發(fā)明的示例性硅外延晶片；圖3為示意性截面圖，示出了放大的溝槽；圖4為說明制造圖1中所示的晶片的示例性方法的第一工藝圖；圖5為相同的第二工藝圖；圖6為相同的第三工藝圖；圖7為示意性截面圖，示出了在圖5所示的工藝中使用的示例性氣相生長設(shè)備；圖8說明了常規(guī)制造方法的問題；圖9示出了通過離平面(111)的角度的函數(shù)表示的在不同的晶面上外延生長硅的生長速率；圖10為透視圖，示意性地示出了在包括溝槽的開口邊緣的過渡平面區(qū)附近形成過剩生長部分的過程；圖11說明了具有(100)主平面的硅單晶襯底中的各平面方向的相互關(guān)系；圖12說明了當(dāng)襯底主平面為(100)而溝槽內(nèi)壁平面為(010)時(shí)過渡平面法線角度范圍；
圖13說明了當(dāng)襯底主平面為(100)而溝槽內(nèi)壁平面為(011)時(shí)過渡平面法線角度圍；圖14示出了過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)外延層的生長速率的改變，在該角度范圍內(nèi)，表面上的法線從[100]通過[110]過渡到
；圖15示出了過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)外延層的生長速率的改變，在該角度范圍內(nèi)，表面上的法線從[100]通過[111]過渡到
；圖16說明了在反應(yīng)速率決定區(qū)域中增加源氣體超過源氣體的臨界流速的影響；圖17示出了通過在單流速條件下在不同生長溫度下硅的生長速率的測量結(jié)果的Arrhenius圖，而以可變方式改變源氣體的供給速率的設(shè)定；圖18說明了與源氣體一起供給蝕刻氣體的影響；圖19示出了通過在單流速條件下在不同溫度下硅的蝕刻速率的測量結(jié)果的Arrhenius圖，而以可變方式改變蝕刻氣體的供給速率的設(shè)定；圖20說明了過渡平面法線角度范圍和過渡平面區(qū)的概念；圖21為其中形成有平面缺陷部分的填充外延層的TEM觀察圖；以及圖22為從中除去平面缺陷部分的填充外延層的TEM觀察圖。
標(biāo)號說明1硅外延晶片2硅單晶襯底3填充外延層11溝槽122反應(yīng)容器具體實(shí)施方式
下列段落將參考附圖描述用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式。
圖1為截面圖，示意性地示出了本發(fā)明的示例性硅外延晶片。硅外延晶片1具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中在摻雜P、As或Sb的n型硅單晶襯底2的襯底主表面MP上以規(guī)則間隔形成多個溝槽11，以將其縱向方向與預(yù)定方向?qū)?zhǔn)，并用由摻雜B的p型硅單晶組成的填充外延層3填充每個溝槽11的內(nèi)部空間。在每兩個相鄰的填充外延層3之間，形成源自襯底2的n型層區(qū)4。如圖2中所示，也允許使用p型硅單晶襯底2，并允許形成填充外延層3作為n型層區(qū)。如圖3中所示，溝槽11的深度為20μm到50μm，并包括兩端，而溝槽11(填充外延層3)的寬度W1為1μm到3μm，并包括兩端。同樣，每兩個相鄰的填充外延層3、3之間的n型層區(qū)4(圖2中的p型層區(qū))的寬度為1μm到3μm，并包括兩端。
在本實(shí)施例中，襯底主平面MP的平面指數(shù)為(100)而溝槽11的壁平面WP的平面指數(shù)為(010)。溝槽11(填充外延層3)的開口部分的寬度W1幾乎等于底部的寬度W2，其中W1可以設(shè)定比W2寬(在此情況下，壁平面WP的平面指數(shù)將高于(010))。
下面的段落將描述制造硅外延晶片1的示例性方法。首先，如圖4中所示，在n型硅單晶襯底2的襯底主平面上，形成氧化硅膜10作為熱氧化物膜，作為用于形成通過公知的光刻技術(shù)形成的溝槽的窗口10w。然后通過例如反應(yīng)離子蝕刻的干蝕刻工藝(可以允許濕蝕刻，但是為了增加溝槽的壁平面的陡峭度，更加優(yōu)選干蝕刻)從窗口10w中暴露的表面在深度方向蝕刻襯底2，以由此形成溝槽11。然后通過濕蝕刻除去氧化硅膜10。特開2002-141407號公報(bào)中典型公開了用于形成溝槽的此類方法，并將在此不作詳述。
下一步，如圖5中所示，在襯底主平面MP側(cè)上氣相生長p型硅外延層13。在此工藝中，將硅單晶襯底2置于氣相生長設(shè)備中，在預(yù)定溫度下(例如，在1,130℃下在氫氣中)退火，并在其上氣相生長填充外延層3。
圖7為氣相生長設(shè)備121的側(cè)視截面圖。氣相生長設(shè)備121具有扁平盒型反應(yīng)容器122，其中通過在其一端形成的氣體引入端口171，源氣體SG通過流控制截面124以水平和單向的方式供給進(jìn)入主容器123的內(nèi)部空間。在主容器123中，將僅一個晶片W以近于水平的方式置于位于基座框架槽110中的基座112上。反應(yīng)容器122在與其上形成有源氣體引入管171的末端部分相反的其末端部分上，具有置于緊接文氏管形式延伸(drawn)截面129的氣體釋放端口128。通過其引入的源氣體SG經(jīng)過晶片W的表面，然后通過氣體釋放端口128被釋放。通常使用三氯硅烷氣體作為源氣體SG。將三氯硅烷氣體制備為通過將氫氣吹入液體三氯硅烷(SiHCl3)中獲得的具有恒定濃度的混合氣體，然后引入管107同時(shí)通過閥門109控制其流速。另一方面，通過閥門105將用于稀釋使用的氫氣引入管108，兩種氣體被進(jìn)一步混合，以最終調(diào)節(jié)三氯硅烷的濃度，然后允許通過源氣體引入端口171流入反應(yīng)容器122。另一方面，摻雜劑氣體(通常將乙硼烷(B2H6)用于添加這里需要的p型雜質(zhì))初步用氫氣等稀釋，并通過管106供給到反應(yīng)容器122，同時(shí)通過質(zhì)量流量控制器(MFC)104控制其流速。通過電動機(jī)M將晶片W與基座112一起旋轉(zhuǎn)，并在其上在源氣體SB的供給下生長外延層，同時(shí)通過紅外加熱燈111加熱。反應(yīng)容器122中的壓力可以設(shè)定為常壓，但是為了避免外部氣體的吸入，優(yōu)選稍高于大氣壓。
在從850℃到1,100℃并包括兩端的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)生長溫度。如前面參考圖17說明的，初步確定需要用于使關(guān)于用三氯硅烷氣體淀積硅的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與生長溫度一致的源氣體的臨界流速，并以比源氣體的臨界流速更大的流速將三氯硅烷供給到反應(yīng)容器122。更具體地說，確定進(jìn)入反應(yīng)容器122的三氯硅烷的供給速率，以獲得在溝槽11的底部的三氯硅烷濃度等于或高于在以源氣體的臨界流速將源氣體供給到反應(yīng)容器122時(shí)在反應(yīng)容器122中的三氯硅烷濃度。在該實(shí)施例中，在設(shè)定生長溫度為約1,000℃的情況下，采用圖17中所示的從18.5L/min到40L/min的條件范圍。
與三氯硅烷一起，通過管102將作為蝕刻氣體的氯化氫供給到反應(yīng)容器122，同時(shí)通過閥門103控制其流量。如前面參考圖19說明的，在定義需要用于使關(guān)于硅蝕刻的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與生長溫度一致的進(jìn)入反應(yīng)容器122的氯化氫氣體的流速作為蝕刻氣體的臨界流速的情況下，以比蝕刻氣體的臨界流速小的流速將氯化氫氣體供給到反應(yīng)容器122。在該實(shí)施例中，在設(shè)定生長溫度為約1,000℃的情況下，采用圖19中所示的從1.0L/min到0.8L/min的條件范圍。
現(xiàn)在回過來參考圖5，隨著如上所述的外延層13的生長的進(jìn)行，溝槽11的內(nèi)部空間被硅外延層填充，此外延層最終將形成填充外延層3。外延層13具有在溝槽外面的襯底主平面MP的區(qū)域中淀積的不需要的生長層13a，該層將通過拋光除去，如圖6中所示，并由此完成圖1中所示的外延晶片1。
在此情況下，采用上述工藝步驟使得可以有效防止如圖8中所示的空隙16a、16b殘留在填充外延層3中的不一致。對此，可以總結(jié)出如下三個原因。
(關(guān)鍵點(diǎn)1)因?yàn)橐r底主平面MP為(100)而溝槽內(nèi)壁平面為(010)，所以在法線矢量α和法線矢量β之間或在溝槽11的開口邊緣部分中形成的過渡平面法線角度范圍，不包括平面{111}，而包括給出如圖14中所示的最大生長速率的(110)。因此，當(dāng)觀察點(diǎn)從開口邊緣部分移向溝槽內(nèi)壁平面WP側(cè)或移向襯底主平面MP側(cè)時(shí)，硅的生長速率變小，這成功抑制了引起窄化溝槽11的開口的過剩生長部分的形成。
(關(guān)鍵點(diǎn)2)將生長溫度設(shè)定在其中生長速率不以對三氯硅烷濃度極其敏感的方式改變的低溫范圍內(nèi)，更具體地說，將生長溫度設(shè)定在允許硅淀積反應(yīng)基于反應(yīng)決定工藝進(jìn)行的溫度范圍內(nèi)。另外，將三氯硅烷的流速設(shè)定為遠(yuǎn)大于源氣體的臨界流速，以給溝槽的底部供給充分濃度的三氯硅烷，即使在溝槽開口的上部消耗一定程度的源氣體。這確保了充分的三氯硅烷濃度，需要用于維持基于反應(yīng)速率決定工藝在溝槽內(nèi)壁平面WP的整個部分上在從開口到底部變化的深度方向上的硅淀積反應(yīng)，以使溝槽11的底側(cè)上的生長速率可以趕上開口側(cè)上的生長速率，并由此可以使生長速率的深度方向分布均勻。
(關(guān)鍵點(diǎn)3)與三氯硅烷同時(shí)供給作為蝕刻氣體的氯化氫，而這會抑制溝槽11的開口附近的過剩生長部分的產(chǎn)生。另外，蝕刻反應(yīng)總是在供給速率決定區(qū)域中進(jìn)行，這是因?yàn)橐孕∮谙鄳?yīng)于生長溫度的蝕刻氣體的臨界流速的流速供給氯化氫。這允許蝕刻效應(yīng)通過大的氯化氫濃度迅速出現(xiàn)在溝槽11的開口附近，并抑制過剩硅淀積，盡管當(dāng)氣體在開口端周圍被消耗之后達(dá)到溝槽底部時(shí)，氯化氫的濃度會降低，從而蝕刻效應(yīng)會明顯下降并且不會影響層生長。因此，溝槽11的底側(cè)上的生長速率可以趕上開口側(cè)上的生長速率，并因此可以使生長速率的深度方向分布均勻。
現(xiàn)在討論如圖8中所示的填充外延層3中的空隙形成的情形，可以理解，過剩生長部分更可能在溝槽11的開口端附近結(jié)合，而這使得第一空隙16a更可能就在其下出現(xiàn)。另一方面，溝槽11底部周圍的部分(也就是說，假設(shè)溝槽11的深度為d，比位置d/2更接近底部的位置)更可能引起供給的源氣體的量的不足，這使得第二空隙16b更容易以例如單獨(dú)留下的形式出現(xiàn)。因此，也可以理解，關(guān)鍵點(diǎn)1和3主要具有抑制過剩生長部分的作用，而關(guān)鍵點(diǎn)2主要具有促進(jìn)溝槽底側(cè)上的填充外延層3的生長的作用。如果將拋光深度設(shè)定為稍深，可以在拋光襯底主平面MP上的不需要的生長層13a的工藝中在一定程度上除去第一空隙16a，而第二空隙16b一旦殘留下來，就不可能修復(fù)，從而可以理解工藝中考慮關(guān)鍵點(diǎn)2是極其重要的。這使得可以得到具有在比位置d/2(更優(yōu)選d/5)更接近底側(cè)的位置上沒有空隙16b殘留其中的填充外延層3的外延晶片。
如果溝槽內(nèi)壁平面上的生長進(jìn)行遠(yuǎn)超過溝槽底部上的生長時(shí)，溝槽內(nèi)壁平面將在底部抬高之前互相結(jié)合，這使得平面缺陷部分，如兩個壁平面結(jié)合的痕跡，更可能在填充外延層中在溝槽的深度方向上形成。當(dāng)壁平面的結(jié)合在溝槽的深度方向上的某個區(qū)域中部分進(jìn)行時(shí)，剩下的未結(jié)合的外圍區(qū)域?qū)⒈粴埩粝聛碜鳛榭障丁＜词褂萌庋劭此坪鯖]有殘留下這樣的空隙，一般也會在平面缺陷部分處殘留大量斷層和納米尺寸的微空隙，如圖21中的TEM觀察結(jié)果所示。結(jié)果，在器件制造工藝中仍保留了失敗的風(fēng)險(xiǎn)，例如，其中因?yàn)檫M(jìn)入平面缺陷部分的重金屬或任何其它雜質(zhì)而造成污染，因?yàn)榻缑鎽B(tài)的形成增加了漏電流，而減小了擊穿電壓。相反，如上所述在溝槽底部生長的徹底提升允許溝槽底部的抬升在溝槽內(nèi)壁平面互相結(jié)合之前十分迅速的進(jìn)行，這有效抑制了上述平面缺陷部分的形成，如圖21中的TEM觀察結(jié)果所示。在此情況下獲得的填充外延層將在其中沒有形成這樣的平面缺陷部分，而且即使它可能形成，通常也可以通過拋光容易地除去，這是因?yàn)橛行Х乐沽巳毕莸撞康乃街糜诟咏鼫喜鄣牡撞砍^從口邊緣的位置d/5。
權(quán)利要求
1.一種制造硅外延晶片的方法，所述硅外延晶片具有在硅單晶襯底的主平面上形成的溝槽，所述溝槽的內(nèi)部空間填充有由硅單晶構(gòu)成的填充外延層，包括以下步驟在定義一角度范圍作為過渡平面法線角度范圍，并假設(shè)一區(qū)域作為過渡平面區(qū)域的情況下，所述角度范圍允許所述襯底的所述主平面的法線矢量α和在所述溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面的法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭，所述區(qū)域包括在所述溝槽的所述縱向上的開口邊緣，在所述過渡平面區(qū)域上法線矢量在所述過渡平面法線角度范圍內(nèi)連續(xù)改變，確定所述襯底的所述主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)，以使平面｛111}的法線矢量落在所述過渡平面法線角度范圍之外；以及獲得具有用所述密勒指數(shù)(h1k1l1)表示的所述主平面的硅單晶襯底，在所述襯底的所述主平面上形成具有用所述密勒指數(shù)(h2k2l2)表示的在所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的溝槽，并允許所述填充外延層在所述溝槽內(nèi)生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制造硅外延晶片的方法，其中確定所述襯底的所述主平面的所述密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的所述密勒指數(shù)(h2k2l2)，以在所述過渡平面區(qū)域中，在所述襯底的所述主平面和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面之間的中間角度位置處，最大化硅的生長速率分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制造硅外延晶片的方法，其中通過以下步驟形成所述填充外延層將其中形成有溝槽的所述硅單晶襯底置于反應(yīng)容器中并加熱到預(yù)定生長溫度，并將源氣體供給到所述反應(yīng)容器同時(shí)保持所述狀態(tài)不變；以及在定義進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述源氣體的流速作為所述源氣體的臨界流速的情況下，所述流速用于使關(guān)于用所述源氣體淀積硅的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與所述生長溫度一致，在所述生長溫度下生長所述填充外延層同時(shí)以比所述源氣體的所述臨界流速大的流速將所述源氣體供給到所述反應(yīng)容器。
4.一種制造硅外延晶片的方法，包括以下步驟通過以下步驟形成填充外延層將其中形成有溝槽的硅單晶襯底置于反應(yīng)容器中并加熱到預(yù)定生長溫度，并將源氣體供給到所述反應(yīng)容器同時(shí)保持所述狀態(tài)不變；以及在定義進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述源氣體的流速作為所述源氣體的臨界流速的情況下，所述流速用于使關(guān)于用所述源氣體淀積硅的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與所述生長溫度一致，在所述生長溫度下生長所述填充外延層同時(shí)以比所述源氣體的所述臨界流速大的流速將所述源氣體供給到所述反應(yīng)容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的制造硅外延晶片的方法，其中確定進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述源氣體的供給速率，以獲得在所述溝槽的底部的源氣體濃度等于或高于在以所述源氣體的所述臨界流速將所述源氣體供給到所述反應(yīng)容器時(shí)在所述反應(yīng)容器中可獲得的所述源氣體濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任何一項(xiàng)的制造硅外延晶片的方法，其中供給所述源氣體同時(shí)保持所述反應(yīng)容器內(nèi)的壓力為常壓。
7.據(jù)權(quán)利要求3至6中任何一項(xiàng)的制造硅外延晶片的方法，其中所述源氣體為三氯硅烷。
8.據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)的制造硅外延晶片的方法，其中在所述生長溫度下與所述源氣體一起將抑制所述填充外延層生長的生長抑制氣體供給到所述反應(yīng)容器。
9.據(jù)權(quán)利要求8的制造硅外延晶片的方法，其中所述生長抑制氣體為對硅有效的蝕刻氣體。
10.據(jù)權(quán)利要求9的制造硅外延晶片的方法，其中所述蝕刻氣體為氯化氫。
11.據(jù)權(quán)利要求9或10的制造硅外延晶片的方法，其中在定義進(jìn)入所述反應(yīng)容器的所述蝕刻氣體的流速作為所述蝕刻氣體的臨界流速的情況下，所述流速用于使關(guān)于硅蝕刻的反應(yīng)速率決定區(qū)域和供給速率決定區(qū)域之間的過渡溫度與生長溫度一致，以比所述蝕刻氣體的所述臨界流速小的流速將所述蝕刻氣體供給到所述反應(yīng)容器。
12.一種硅外延晶片，具有在硅單晶襯底的主平面上形成的溝槽，所述溝槽的內(nèi)部空間填充有由硅單晶構(gòu)成的填充外延層，包括在定義一角度范圍作為過渡平面法線角度范圍，并假設(shè)一區(qū)域作為過渡平面區(qū)域的情況下，所述角度范圍允許所述襯底的所述主平面的法線矢量α和在所述溝槽的縱向上的內(nèi)壁平面的法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭，所述區(qū)域包括在所述溝槽的所述縱向上的開口邊緣，在所述過渡平面區(qū)域上法線矢量在所述過渡平面法線角度范圍內(nèi)連續(xù)改變，具有確定以使平面{111}的法線矢量落在所述過渡平面法線角度范圍之外的所述襯底的所述主平面的密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的密勒指數(shù)(h2k2l2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的硅外延晶片，其中確定所述襯底的所述主平面的所述密勒指數(shù)(h1k1l1)和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面的所述密勒指數(shù)(h2k2l2)，以在所述過渡平面區(qū)域中，在所述襯底的所述主平面和在所述溝槽的所述縱向上的所述內(nèi)壁平面之間的中間角度位置處，最大化硅的生長速率分布。
全文摘要
定義允許襯底的主平面MP的法線矢量α和在填充有填充外延層的溝槽11的縱向上的內(nèi)壁平面的法線矢量β以最小旋轉(zhuǎn)角度交迭的角度范圍作為過渡平面法線角度范圍θ，并假設(shè)包括在溝槽的縱向上的開口邊緣的區(qū)域作為在其上法線矢量在過渡平面法線角度范圍θ內(nèi)連續(xù)改變的過渡平面區(qū)域。然后確定襯底的主平面MP的密勒指數(shù)(h
文檔編號H01L29/06GK1806313SQ200480016820
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月17日
發(fā)明者吉田知佐, 島崎雅廣 申請人:信越半導(dǎo)體株式會社